化工设备设计试题及答案.docx
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化工设备设计试题及答案
化工设备设计试题
一、单项选择题（每题2分，共24分）
1．内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在（ ）。
A．正常操作 B．停车情况 C．检修情况 D．以上答案都不对
2．目前，裙座与塔体连接焊缝的结构型式有（ ）。
A．1种 B．2种 C．3种 D．4种
3．塔盘在结构方面要有一定的（ ）以维持水平。
A．强度 B．刚度 C．稳定性 D．其它
4．搅拌器罐体长径比对夹套传热有显著影响，容积一定时长径比越大，则夹套的传热面积（ ）。
A．越大 B．越小 C．不变 D．以上答案均不对
5．与填料密封相比，机械密封的（ ）大约为填料密封的百分之一。
A．泄漏率 B．密封性 C．磨损率 D．使用率
6．列管换热器的传热效率（ ）板式换热器，且金属消耗量大。
A．不如 B．高于 C．等同 D．以上答案均不对
7．在高温高压条件下，换热器的管板与管子一般采用（ ）连接保持紧密性。
A．胀焊结合 B．胀接 C．搭接 D．对接
8．膨胀节是装在固定管板换热器上的挠性元件，其作用是（ ）。
A．消除壳体薄膜应力 B．消除或减小不利的温差应力
C．消除管子中的拉脱力 D．增大换热器的换热能力
9．塔设备设计中最需要设置地脚螺栓的工况是（ ）。
A．空塔检修 B．水压试验 C．满负荷操作 D．其它
10．列管式换热强度焊的连接方式适用的条件范围为（ ）。
A．较高压力和较大振动场合 B．较高温度和较大振动场合
C．较大振动和间隙腐蚀场合 D．较高压力和较高温度场合
11．塔节的长度取决于（ ）。
A．工艺条件 B．塔径 C．操作情况 D．塔板数
12．在塔和塔段最底一层塔盘的降液管末端设置液封盘，其目的是（ ）。
A．防止液沫夹带 B．保证降液管出口处的密封
C．防止淹塔 D．防止液泛
二、填空题（每题2分，共12分）
1、塔设备按操作压力分为 塔、常压塔和 。
2．填料塔所用填料有鲍尔环、拉西环、阶梯环等 填料；而随着金属丝网及金属板波纹等 填料的使用，使填料塔效率大为提高。
3．管子与管板胀接时，除 外，近年来已出现液压胀管与 胀管的方法。
4．搅拌反应器的传动装置包括：
、 、及机座等。
5．搅拌器转轴密封型式很多，有 、液封、
和迷宫密封等。
6．正常操作的带夹套的反应器，其筒体和下封头的壁厚应按
和 分别计算。
三、判断说明题（每题4分，共24分）
1．塔体压力试验时，不论水压试验或气压试验，限制条件都是相同的。
2．对易起泡的物料和具有腐蚀性的介质，已采用填料塔为好。
3．列管换热器温差应力只与换热器的类型及管壳程论热介质的温差有关，而与其它因素无关。
4．折流板与换热器壳体一般采用点焊固定连接。
5．填料密封中的液膜又使搅拌轴润滑和实现密封的双重作用。
6．安装在混凝土框架内的塔设备，不宜作轴向变形的限制。
．
四、简答题（每题4分，共20分）
1．裙座圈与塔体间的焊接接头形式有哪些，各有什么特点？
2．列管换热器机械设计包括哪些内容？
3．搅拌“打旋”是怎么回事，该如何考虑？
4．塔体上下封头受载有何区别？
5．设计多管程换热器时，确定分程隔板位置的原则是什么？
五、综合题（每题10分，共20分）
1．试述圆筒型裙座圈设计计算过程。
2．下图所示为一塔板的局部结构，是对各编号注上结构名称并说明作用。
化工设备设计答案
一、单项选择题（每题2分，共24分）
1．B 2．B 3．B 4．A 5．A 6．A 7．A 8．B
9．A 10．D 11．B 12．B
二、填空题（每题2分，共12分）
1．正压，负压塔 2．乱堆，规整 3．机械滚胀，爆炸 4．电机，减速装置 5．机械密封，填料密封 6．承受内压，外压
三、判断说明题（每题4分，共24分）
1．正确。
负压塔介质产生的是压应力，背风侧风弯矩产生的也是压应力。
2．正确。
因填料能使泡沫破裂，且可通过选择填料材料达到防腐目的。
3．不正确。
还与管壳所用材料有关。
4．不正确。
折流板一般通过拉杆、定距管进行定位连接。
便于检修时拆卸。
5．正确。
靠液膜作用使密封面的凹凸不平处实现密封，阻止设备内流体漏出和外部介质渗入。
6．正确。
因高塔在高温条件操作时，轴向膨胀量可达很大数值，要有自由伸缩的余地。
四、简答题（每题4分，共20分）
1．包括对接和搭接焊缝两种形式。
对接焊裙座圈直径与塔体直径相同，这种焊缝受压，可以承受较大的轴向载荷，常用于大塔，但因该焊缝位于塔底封头曲面部分，从而恶化了封头的受力状况。
采用搭接时裙座圈内径稍大于塔体外径，该焊缝受剪，承载能力较差，多用于小塔。
2．包括结构设计和强度设计。
结构设计包括管壳程结构形式、管子排列方式、管板结构及管子与管板连接、管板与壳体连接方式等内容。
强度设计包括设计筒体、封头、法兰、开孔、支座等；换热器特有的强度设计，包括管板设计、筒体和管子轴向应力校核及管子拉脱力校核等内容。
3．安装在搅拌设备中心的搅拌器，当液体粘度不高、搅拌器转速足够高时，切向流会形成“圆柱状回转区”；罐体内液体在离心力作用下甩向器壁，使周边的液体沿器壁上升而中心部分液面下降，形成一大旋涡，搅拌器转速越高，旋涡越深，即“打漩”。
打漩几乎不产生轴向混合作用，为了消除打漩现象，可在反应器内按设挡板。
4．塔体上封头受载主要是介质压力，其他载荷影响不大。
而下封头除受气体介质压力外，还有液体重量、风弯矩、地震弯矩、偏心弯矩等载荷作用。
5．各管程管数应大致相等；相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；各程间密封长度应最短；分程隔板形状应简单。
五、综合题（每题10分，共20分）
1．
（1）首先选取裙座圈厚度等于塔体壁厚；
（2）对基底截面（基础环与裙座圈的焊缝截面）及裙座开孔截面和其他危险截面进行轴向强度和稳定性校核；
（3）确定地脚螺栓直径、数量，基础环尺寸及选择混凝土牌号等。
2．
1–压圈，压紧石棉绳 2–溢流堰，保持液层高度，促使液流均匀分布 3–石棉绳，密封作用， 4–塔盘板，承液，实现气、液传质 5–降液管，液体由上层塔板流入下层塔板通道 6–液封盘，保证降液管出口处的液封 7–泪孔，检修、停工时排液
第一章 化工厂设计的内容与程序
第一节 化工设计的种类
化工设计可根据项目性质分类，也可按设计性质分类。
一、根据项目性质分类
（一）新建项目设计
新建项目设计包括新产品设计和采用新工艺或新技术的产品的设计。
这类设计往往由开发研究单位提供基础设计，然后由工程研究部门根据建厂地区的实际情况作出工程设计。
（二）重复建设项目设计
由于市场需要，有些产品需要再建生产装置，由于新建厂的具体条件与原厂不同，即算是产品的规模、规格及工艺完全相同，还是需要由工程设计部门进行设计。
（三）已有装置的改造设计
一些老的生产装置其产品质量和产量均不能满足客户要求，或者由于技术原因，原材料和能量消耗过高而缺乏竞争能力，必须对老装置进行改造，其中包括去掉影响产品产量和质量的“瓶颈”，优化生产过程操作控制，以及提高能量的综合利用率和局部的工艺或设备改造更新等。
这类设计往往由生产企业的设计部门进行。
二、根据设计性质分类
（一）新技术开发过程中的设计
（1）概念设计。
基础研究结束后，应进行概念设计。
概念设计的规模应是工业化时的最佳规模。
概念设计是从工程角度出发进行的一种假想设计，其作法可参照常规的工程设计方法和步骤，设计工艺流程，进行全系统的物料衡算、热量衡算和设备工艺计算，确定工艺操作条件及主要设备的型式和材质，进行参数的灵敏度和生产安全分析，确定三废治理措施，计算基建投资、产品成本等主要技术经济指标。
（2）中试设计。
按照现代技术开发的观点，中试的主要目的是验证模型和数据，即概念设计中的一些结果和设想通过中试来验证。
（3）基础设计。
基础设计是新技术开发的最终成果，它是工程设计的依据。
基础设计有些类似于我国的技术设计，但又有很大的差别。
与技术设计不同的是基础设计除了一般的工艺条件外，还包括了大量的化学工程方面的数据，特别是反应工程方面的数据，以及利用这些数据进行设计计算的结果。
（二）工程设计
根据工程的重要性、技术的复杂性和技术的成熟程度及计划任务书的规定，工程设计可分为三段设计、两段设计和一段设计。
重要的大型企业和使用较复杂的技术时，为了保证设计质量，可以按初步设计、扩大初步设计及施工图设计三个阶段进行。
一般技术比较成熟的大中型工厂或车间的设计，可按扩大初步设计和施工图设计两个阶段的设计。
技术上比较简单、规模较小的工厂或车间的设计，可直接进行施工图设计，即一个阶段的设计。
1．初步设计
根据设计任务书，对设计对象进行全面的研究，寻求在技术上可能、经济上合理的最符合要求的设计方案。
主要是确定全厂性的设计原则、标准和方案，水、电、汽的供应方式和用量，关键设备的选型及产品成本、项目投资等重大技术经济问题。
编制初步设计书，其内容和深度能使对方了解设计方案、投资和基本出处为准。
2．扩大初步设计
根据已批准的初步设计，解决初步设计中的主要技术问题，使之明确、细化。
编制准确度能满足控制投资或报价使用的工程概算。
根据已批准的扩大初步设计，结合建厂地区条件，在满足安全、进度及控制投资等前提下开展施工图设计，其成品是详细的施工图纸和必要的文字说明及工程预算书。
第二节 化工厂设计的工作程序
一般的化工设计的工作程序是以基础设计为依据提出项目建议书，经上级主管部门认可后写出可行性研究报告，上级批准后，编写设计任务书，进行扩大初步设计，后者经上级主管部门认可后进行施工图设计。
一、项目建议书
项目建议书是进行可行性研究和编制设计任务书的依据，应包括下列内容。
1.项目建设目的和意义，即项目提出的背景和依据，投资的必要性及经济意义；
2.产品需求初步预测；
3.产品方案和拟建规模；
4.工艺技术方案（原料路线、生产方法和技术来源）；
5.资源、主要原材料、燃料和动力的供应；
6.建厂条件和厂址初步方案；
7.环境保护；
8.工厂组织和劳动定员估算；
9.项目实施规划设想；
10.投资估算和资金筹措设想；
11.经济效益和社会效益的初步估算。
二、可行性研究
可行性研究是以拟建项目进行全面分析及多方面比较，对其是否应该建设及如何建设作出论证和评价，为上级机关投资决策和编制、审批设计任务书提供可靠的依据。
根据原化工部对“可行性研究报告”的有关规定，可行性研究报告的内容如下。
1.总论。
包括项目名称、进行可行性研究的单位、技术负责人、可行性研究的依据、可行性研究的主要内容和论据、评价的结论性意见、存在问题和建议等，并附上主要技术经济指标表。
2.需求预测。
包括国内外需求情况预测和产品的价格分析。
3.产品的生产方案及生产规模。
4.工艺技术方案包括工艺技术方案的选择、物料平衡和消耗定额、主要设备的选择、工艺和设备拟采用标准化的情况等内容。
5.原材料、燃料及水电汽的来源与供应。
6.建厂条件和厂址选择布局方案。
8.环境保护及安全卫生。
9.工厂组织、劳动定员和人员培训。
10.项目实施规划。
11.投资估算和资金筹措。
12.经济效益评价及社会效益评价。
13.结论包括综合评价和研究报告的结论等内容。
三、编制设计任务书
可行性研究呈报给上级主管部门，当被上级主管部门认可后，便可编写设计任务书以作为设计项目的依据。
设计任务书的内容主要包括：
1.项目设计的目的和依据；
2.生产规模、产品方案、生产方法或工艺原则；
3.矿产资源、水文地质、原材料、燃料、动力、供水、运输等协作条件；
4.资源综合利用、环境保护、三废治理的要求；
5.厂址与占地面积和城市规划的关系；
6.防空、防震等的要求；
7.建设工期与进度计划；
8.投资控制数；
9.劳动定员及组织管理制度；
10.经济效益、资金来源、投资回收年限。
五、施工图设计
施工图设计的任务是根据扩大初步设计审批意见，解决扩大初步设计阶段待定的各项问题，并以它作为施工单位编制施工组织设计、编制施工预算和进行施工的依据。
施工图设计的主要工作内容是在扩大初步设计的基础上，完善流程图设计和车间布置设计，进而完成管道配置设计和设备、管路的保温及防腐设计。
其中工艺专业方面的主要内容包括：
工艺图纸目录、工艺流程图、设备布置图、设备一览表、非定型设备制造图、设备安装图、管道布置图、管架管件图、设备管口方位图、设备和管路保温及防腐设计等；非工艺专业方面有土建施工图、供水、供电、给排水、自控仪表线路安装图等。
六、设计代表工作
在扩大初步设计与施工图设计两个阶段，有大量的各专业人才参加，到设计文件编制完毕，工作转入了基本建设和试车阶段的时候，就只需少量的各专业设计代表参加了。
各专业设计代表的任务就是参加基本建设的现场施工和安装（必要时修正设计），建成化工装置后要参加试车运转工作，使装置达到设计所规定的各项指标要求。
当设计工作全面结束，且试车成功后，应做工程总结，积累经验，以利于设计质量的不断提高。
第三节 化工车间（装置）工艺设计的程序及设计内容
化工车间（装置）设计是化工厂设计的最基本的内容，也是初学者必须首先掌握的。
因此，本节着重介绍化工车间（装置）工艺设计内容和程序。
下面按工作程序介绍车间工艺设计的内容。
一、设计准备工作
（l）一熟悉设计任务书。
全面深入地正确领会设计任务书提出什么要求，又提供了什么情况，这都是设计的依据，必须熟记、贯彻实施。
（2）了解化工设计以及工艺设计包括哪些内容，其方法步骤如何。
参照设计进度订出个人工作计划。
（3）查阅文献资料。
按照设计要求，主要查阅与工艺路线、工艺流程和重点设备有关的文献资料，并摘录笔记。
此外，还应对资料数据加工处理，对文献资料数据的适用范围和精确程度应有足够的估计。
（4）收集第一手资料。
深入生产与试验现场调查研究，尽可能广泛地收集齐全可靠的原始数据并进行整理，这对搞好整个设计来说是一项很重要的基础工作。
二、方案设计
这个阶段的任务是确定生产方法和生产流程，它们是整个工艺设计的基础。
要求运用所掌握的各种资料，根据有关的基本理论进行不同生产方法和生产流程的对比分析。
这个阶段的工作可以培养分析、归纳和理论联系实际的能力。
三、化工计算
化工计算包括工艺设计中的物料衡算、能量衡算以及设备选型和计算三个内容。
要完成的任务是在这三项计算的基础上绘制物料流程图、主要设备图和带控制点工艺流程图。
经验表明，在化工计算阶段会用到大量的基本理论、基本概念和基本技能（数据处理、计算技能、绘图能力等）。
四、车间布置设计
这是工艺人员的主要设计任务之一，它也是决定车间面貌的又一个重要设计项目。
布置设计的主要任务是确定整个工艺流程中的全部设备在平面上和空间中的正确的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构型式。
当化工计算结束，绘出工艺流程图之后就可以进行车间布置设计，完成之后要绘制平面与立面的车间布置图。
设计方法除了常用的摆纸块法之外．现在广泛采用模型设计的方法。
五、化工管路设计
管路配置设计的任务是确定装置的全部管线、阀件、管件及各种管架的位置，以满足工艺生产的要求。
应注意节约管材，便于操作、检查和安装检修，而且做到整齐美观。
六、提供设计条件
设计条件内容包括总图、土建、外管、非定型设备、自控、电气、电讯、电加热、采暖通风、空调、给排水、工业炉等非工艺专业的设计条件。
设计条件是各专业据以进行具体设计工作的依据，因此提好设计条件是确保设计质量的重要一环。
为了正确贯彻执行各项方针政策和已定的设计方案，保证设计质量，工艺专业设计人员应认真负责地编制各专业的设计条件，并确保其完整性和正确性。
七、编制概算书及编制设计文件
概算书是在初步设计阶段编制的车间投资的大概计算，作为银行对基本建设单位贷款的依据。
概算主要提供了车间建筑、设备及安装工程费用。
经济是否合理是衡量一项工程设计质量的重要标志。
编制概算可以帮助判断和促进设计的经济合理性。
初步设计阶段与施工图设计阶段的设计工作完成后都要编制设计文件。
它是设计成果的汇总，是进行下一步工作的依据，内容包括设计说明书、附图（流程图、布置图、设备图等）和附表（设备一览表、材料汇总表等）。
以上仅是车间工艺设计的大体内容，叙述的顺序就是一般的设计工作程序，实际设计过程中，这些工作内容往往是交错进行的。
第四节 国家和行业的基本设计政策和规范
决定一个具体的化工过程，除考虑其技术上的可行性外，还必须符合国家的政治、经济政策方针。
诸如资源、环境、能源、劳动保护、工业布局等因素，并使之获得最佳的经济效益，同时，化工设计还必须遵循国家和行业的设计规范和相关的政策、法规。
其中主要的例举如下：
1、化工企业总图运输设计规范 HG/T20649－1998
2、工矿企业总平面设计规范 GB50187－1993
3、石油化工工艺装置布置设计通则 SH3011-2000
4、石油化工给水排水管道设计图例SH3089-1998
5、石油化工管道器材标准（合订本1996年）SH3401-3410
6、石油化工管道布置设计通则 SH3012-2000
7、石油化工企业给水排水系统设计规范 SH3015-2003
第五节 设计文件
工艺专业人员在扩大初步设计阶段和施工图设计阶段应编制说明书和说明书的附图、附表等设计文件。
其中车间工艺设计文件是最基本的和最常碰到的，因此，本课程着重介绍车间工艺专业设计文件的内容和格式。
一、扩大初步设计文件
扩大初步设计的设计文件应包括以下两部分内容：
设计说明书和说明书的附图、附表。
化工厂（车间）初步设计说明书内容和编写要求，根据设计的范围（整个工厂，一个车间或一套装置）、规模的大小和主管部门的要求而不同，对炼油、化工厂的初步设计的内容和编写要求，化学工业部曾有文件规定。
对于一个装置或一个车间，其初步设计说明书的内容如下。
（一）设计依据
（1）文件，如计划任务书以及其他批文等。
（2）技术资料，如中试试验报告、调查报告等。
（二）设计指导思想和设计原则
（1）设计所遵循的具体方针政策和指导思想。
（2）总括各专业的设计原则，如工艺路线的选择、设备的选型和材质选用、自控水平等原则。
（三）产品方案
①产品名称和性质；②产品质量规格；③产品规模（吨／年）；④副产品数量（吨／年）；⑤产品包装方式。
（四）生产方法和工艺流程
（1）生产方法。
扼要说明设计所采用的原料路线和工艺路线。
（2）化学反应方程式。
写出方程式，注明化学反应名称、主要操作条件。
（3）工艺流程
①工艺划分简图，用方块图表示。
②带控制点工艺流程图和流程简述。
带控制点工艺流程图应表示出全部工艺设备、物料管线、阀件、设备的辅助管路以及工艺和自控仪表图例、符号。
（五）车间（装置）组成和生产制度
（1）车间（装置）组成。
（2）生产制度，年工作日、操作班制，间歇或连续生产。
（六）原料、中间产品的主要技术规格
（1）原料、辅助原料的主要技术规格。
（2）中间产品及成品的主要技术规格。
（七）工艺计算
（1）物料计算的基础数据。
（2）物料计算结果以物料平衡图表示，计量单位用小时（h）（连续操作）或每批投料量Kg或M3（分批操作），采用的计量单位在一个项目内要统一。
2.主要工艺设备的选型、化工计算和材料选择
（1）基础数据来源包括物料及热量计算数据、主要化工数据等。
（2）主要工艺设备的工艺计算按流程编号为序进行编写。
3.般工艺设备以表格形式分类表示计算和选择结果。
工艺设备一览表按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。
4.工艺用的水、蒸汽、冷冻用量。
5.分批操作的设备要排列工艺操作时间表和动力负荷曲线。
（八）主要原料、动力消耗定额及消耗量
（九）生产控制分析
（十）仪表和自动控制
（十一）技术保安、防火及工业卫生
（十二）车间布置
（十三）公用工程
（十四）“三废”治理及综合利用
（十五）车间维修
（十六）土建
（十七）车间装置定员
（十八）概算
（十九）技术经济
（二十）存在问题及建议
（二十一）扩大初步设计中必要的附表及附图
附表：
工艺设备一览表、自控仪表一览表、公用工程设备材料表
附图：
带控制点工艺流程图、车间布置图（平面图及剖面图）、关键设备总图、建筑平面、立面、剖面图
二、施工图文件的编制
（一）施工图设计文件目录
编制各主项施工图设计时，应编写主项图纸总目录、非定型设备图纸目录和工艺图纸目录。
（二）工艺施工图设计文件
（1）工艺设计说明。
工艺设计说明可根据需要按下列各项内容编写。
（2）带控制点工艺流程图（施工流程图）。
带控制点工艺流程图应表示出全部工艺设备和物料管路、阀件等，进出设备的辅助管线和工艺及自动仪表的图例、符号。
（3）辅助管路系统图。
辅助管路系统图应表示出系统的全部管路。
一般在带控制点工艺流程图左上方绘制，如辅助管路系统复杂时，可单独绘制。
（4）首页图。
当某一个设计项目（装置）范围较大（如除主要生产厂房或构筑物外，附有生活室、控制室、分析室或有较多的室外其他生产和辅助生产部分），设备布置和管路安装图需分别绘制首页图。
（5）设备布置图。
设备布置图包括平面图与剖面图，其内容应表示出全部工艺设备的安装位置和安装标高，以及建筑物、构筑物、操作台等。
（6）设备一览表。
根据设备订货分类的要求，分别作出非定型设备表、定型设备表等。
（7）管路布置图。
管路布置图包括管路布置平面图和剖面图，其内容表示出全部管路、管件和阀件及其在空间的位置，简单的设备轮廓线及建、构筑物外形。
（8）配管设计模型。
作模型设计时，可用配管设计模型代替管路布置图。
（9）管段图。
管段图表示一段管道在空间的位置的图形，也叫做空视图或单线图。
（10）管架和非标准管件图。
（11）管段表。
当绘制管段图时，可不单独绘制管段表，其相应内容可填入管段图的附表中去。
（12）管架表。
（13）综合材料表综合材料表应按以下三类材料进行编制。
（14）管口方位图。
管口方位图应表示出全部管口、吊耳、支脚及地脚螺栓的方位，并标注管口编号、管口和管径名称。
对塔还要表示出地脚螺栓、吊柱、直爬梯和降液管位置。
（15）换热器条件图。
第二章 工艺流程设计
工艺流程设计是化工设计中非常重要的环节，它通过工艺流程图的形式，形象地反映了化工生产由原料进入到产品输出的过程，其中包括物料和能量的变化，物料的流向以及生产中所经历的工艺过程和使用的设备仪表。
工艺流程图集中地概括了整个生产过程的全貌。
工艺流程设计是工艺设计的核心。
在整个设计中，设备选型、工艺计
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